KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU HÀNH NHÚNG UCLINUX TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN S3C44B0X
Mở đầu
Trong những thập niên gần đây hệ thống nhúng được nghiên cứu mạnh mẽ và đã có rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Các sản phẩm ứng dụng hệ thống nhúng rất đa dạng từ hệ thống dẫn đường trong tên lửa, các robot thông mình đến các sản phẩm tiêu dùng như máy giặt, máy in, các thiết bị giải trí như điện thoại, máy nghe nhạc.. .
Hệ thống nhúng phát triển dựa trên sự phát triển phần cứng và phần mềm. Phần cứng phải mạnh, đầy đủ tính năng cho hệ thống còn phần mềm phải được phát triển khai thác được tài nguyên phần cứng đồng thời phải đáp ứng được các đặc tính của hệ thống nhúng là tính thời gian thực, điều khiển chính xác, ổn định.
Ứng dụng hệ điều hành mã nguồn mở uClinux cho các hệ thống nhúng dùng vi điều khiển có nhân vi xử lý 32 bit đã giúp cho quá trình phát triển phần mềm cho hệ thống nhanh hơn chi phí thấp hơn và khai thác được sức mạnh của tài nguyên phần cứng.
Phần A: Lý thuyết chung
Chương 1. Hệ điều hành nhúng uClinux
1.1. Nhân hệ điều hành Linux
1.1.1. Lịch sử nhân hệ điều hành Linux
Linux là một nhân hệ điều hành được phát triển bởi Linus Torvalds vào năm 1991 trên cơ sở cải tiến phiên bản UNIX có tên Minix do giáo sư Andrew S. Tanenbaum xây dựng và phổ biến. Sau đó Linus Torvalds đã công bố mã nguồn của mình cho mọi người và mong muốn mọi người có thể đóng góp ý kiến, phát hiện lỗi và phát triển nó ngày càng tốt hơn.
Và cũng từ thời điểm đó, theo tư tưởng GNU rất nhiều chuyên gia trên toàn thế giới đã tham gia vào quá trình phát triển Linux và vì vậy Linux ngày càng phát triển, mạnh mẽ, ổn định, có độ tin cậy cao và đáp ứng được nhu cầu của người dùng.
Một số mốc lịch sử quan trọng trong quá trình phát triển nhân hệ điều hành Linux:
Sau ba năm nhân Linux ra đời, đến ngày 14 1994, hệ điều hành Linux phiên bản 1.0 được phổ biến. Thành công lớn nhất của Linux 1.0 là nó đã hỗ trợ giao thức mạng TCP/IP chuẩn UNIX, sánh với giao thức socket BSD- tương thích cho lập trình mạng.
Trình điều khiển thiết bị đã được bổ sung để chạy IP trên một mạng Ethernet hoặc trên tuyến đơn hoặc qua modem. Hệ thống file trong Linux 1.0 đã vượt xa hệ thống file của Minix thông thường, ngoài ra đã hỗ trợ điều khiển SCSI truy nhập đĩa tốc độ cao. Điều khiển bộ nhớ ảo đã được mở rộng để hỗ trợ điều khiển trang cho các file swap và ánh xạ bộ nhớ của file đặc quyền.
Vào tháng 3-1995, nhân 1.2 được phổ biến. Điều đáng kể của Linux 1.2 so với Linux 1.0 ở chỗ nó hỗ trợ một phạm vi rộng và phong phú phần cứng, bao gồm cả kiến trúc tuyến phần cứng PCI mới. Nhân Linux 1.2 là nhân kết thúc dòng nhân Linux chỉ hỗ trợ PC.
Cách đánh chỉ số các dòng nhân (hệ điều hành) Linux: Hệ thống chỉ số được chia thành một số mức, chẳng hạn hai mức như 2.4 hoặc ba mức như 2.2.5. Trong cách đánh chỉ số như vậy, quy ước rằng với các chỉ số từ mức thứ hai trở đi, nếu là số chẵn thì dòng nhân đó đã khá ổn định và tương đối hoàn thiện, còn nếu là số lẻ thì dòng nhân đó vẫn đang được phát triển tiếp.
Tháng 6-1996, nhân Linux 2.0 được phổ biến. Có hai đặc trưng nổi bật của Linux 2.0 là hỗ trợ kiến trúc phức hợp, bao gồm cả cổng Alpha 64-bit đầy đủ, và hỗ trợ kiến trúc đa bộ xử lý. Phân phối nhân Linux 2.0 cũng thi hành được trên bộ xử lý Motorola 68000 và kiến trúc SPARC của SUN.
Tới năm 2000, nhân Linux 2.4 được phổ biến. Một trong đặc điểm được quan tâm của nhân này là nó hỗ trợ mã ký tự Unicode 32 bít, rất thuận lợi cho việc xây dựng các giải pháp toàn diện và triệt để đối với vấn đề ngôn ngữ tự nhiên trên phạm vi toàn thế giới.
Nhân Linux là phần mềm tự do được phân phối theo Giấy phép sở hữu công cộng phần mềm GNU GPL (General Public License).
Vật lấy phước của nhân Linux là chú chim cánh cụt - Tux.
1.1.2. Tổ chức của nhân hệ điều hành Linux
Nhân được ví như trái tim của hệ điều hành. Về bản chất nhân cũng là một chương trình phần mềm máy tính nhưng ở cấp độ hệ thống có vai trò điều khiển các thành phần của hệ thống máy tính, quản lý tài nguyên của hệ thống, cung cấp một số dịch vụ và phần mềm cơ bản cho máy tính, cung cấp môi trường thực thi có các ứng dụng khác nhau chạy trên hệ thống. Nhân chính là cầu nối giữa phần cứng vật lý của máy tính với và chương trình ứng dụng.
Các dịch vụ của nhân được chạy trong chế độ đặc quyền của bộ xử lý. Trái lại, các chương trình ứng dụng được chạy trong chế độ người dùng hoàn toàn cách ly với hệ điều hành. Khi ứng dụng chạy trong chế độ người dùng gọi tới một dịch vụ hệ thống thông qua một giao diện, bộ xử lý chặn lại lời gọi và thi hành dịch vụ mức nhân hệ điều hành. Thông thường việc thi thực thi ở mức nhân đơn giản và nhanh hơn bởi vì nó không bị chuyển giữa chế độ đặc quyền và không đặc quyền.
Nhân của Linux gồm năm tiểu hệ thống:
-Bộ phân thời gian cho tiến trình (Process Schedule – SCHED):
Hoạt động của máy tính, tại một thời điểm chỉ có một lệnh được thực thi. Tuy nhiên các hệ điều hành đa nhiệm như Windows, Linux … đều cho phép nhiều chương trình chạy cùng một lúc. Các hệ điều hành đa nhiệm có thể làm được như vậy bằng cách chuyển quyền thực thi qua lại giữa các chương trình thật nhanh làm cho người dùng có cảm giác các chương trình chạy cùng lúc với nhau. Vi dụ người dùng có thể vừa soạn thảo văn bản vừa có thể nghe. Trong hệ điều hành đa nhiệm thì bộ phân thời gian tiến trình đảm nhiệm nhiệm vụ này.
SCHED được chia thành bốn khối: Khối luật định thời (scheduling policy): Chịu trách nhiệm phân bố xem tiến trình (process) Nào được quyền truy xuất CPU. Hệ thống hoạt động có thông suốt hay không nhờ vào bộ luật này, tránh trường hợp một tiến trình lợi dụng sơ hở của điều luật mà chiếm thời gian hệ thống quá nhiều làm các tiến trình khác bị đóng băng (freeze).
Khối phụ thuộc kiến trúc (architeture-specific): Khối này gồm các mã assembly phụ thuộc vào mỗi loại CPU dùng để tạm ngưng hoạt động của tiến trình. Khối độc lập kiến trúc (architeture-independent): Khối gọi các hàm từ khối phụ thuộc kiến trúc và khối luật để chuyển giửa các tiến trình đồng thời nó còn gọi các hàm ở MM để thiết lập bộ nhớ ảo cho các tiến trình được hồi phục lại.
Khối phụ thuộc kiến trúc sẽ khác nhau ở mỗi loại CPU (ỉ386, apha, v.v) Nhưng khối độc lập kiến trúc thì không đổi. Khối hàm gọi hệ thống (system call). Gồm các hàm mà người dùng có thể dùng để tương tác với SCHED. Khi lập trình Linux và Unix sẽ quen với các hàm gọi hệ thống này. Bộ quản lý bộ nhớ (Memory Manager - MM):
Bộ nhớ qui ước của các máy tính chỉ có 640KB. Do BIOS chỉ quản lý được tới FFFF, vùng nhớ cao từ A0000 trở lên dùng để ánh xạ BIOS, video card memory và các thiết bị ngoại vi khác, vùng nhớ còn lại tử 9FFFF trở xuống tương đương với 640KB.
Trong chế độ bảo vệ (protect mode) Của CPU 32 bit đưa ra khái niệm bộ nhở ảo (Virtual Memory). Lúc này mỗi tiến trình được cấp tới 4GB bộ nhớ ảo. Nhưng nhân hệ điều hành sẽ tạo ra một bảng mô tả từng trang của bộ nhớ ảo với bộ nhớ vật lý. Bộ nhớ vật lý bây giờ bao gồm cả bộ nhớ RAM và vùng nhớ hoán vị trên đĩa cứng.
-Hệ thống file ảo:
Hệ thống này không chỉ cung cấp truy suất đến hệ thống file trên đĩa cứng mà còn tất cả các ngoại vi. Trong Linux tất cả các tập tin, thư mục và các thiết bị đều được coi như là file. Ví dụ như máy in, cổng nối tiếp, các ổ đĩa … đều được truy cập như là file. Linux cũng cung cấp các thuộc tính truy cập cho file và thư mục, các thuộc tính có thể được thiết lập như cho phép đọc, cho phép ghi, cho phép thực thi. Linux thiết lập chế độ bảo vệ đối với các file hệ thống và hạn chế quyền truy cập đối với các thiết bị.
-Giao diện mạng (Network Interface - NET):
Trong nhân Linux dựng sẵn giao thức TCP/UDP, IP và Ethernet.
-Bộ truyền thong nội bộ (Inter-process communication IPC):
Một tiến trình trong Linux giao tiếp với các tiến trình khác và với nhân hệ điều hành thông qua một cơ chế được gọi là bộ truyền thông nội bộ - IPC. Nó cho phép các tiến trình gửi hoặc nhận các thông điệp từ một tiến trình khác, sử dụng chung vùng nhớ chia sẻ và đồng bộ với các tiến trình khác.
-----------------------------------------
Mục lục
Mở đầu
Phần A: Lý thuyết chung
Chương 1. Hệ điều hành nhúng uClinux
1.1. Nhân hệ điều hành Linux
1.1.1. Lịch sử nhân hệ điều hành Linux
1.1.2. Tổ chức của nhân hệ điều hành Linux
1.1.3. Tổ chức thư mục
1.2. Hệ điều hành nhúng uClinux
1.2.1. Quá trình phát triển hệ điều hành nhúng uClinux
1.2.2. Kiến trúc hệ điều hành uClinux
1.2.3. Các thư viện sử dụng để phát triển hệ điều hành uClinux
1.2.4. Driver của các ngoại
1.2.5. Mã nguồn hệ điều hành uClinux
Chương 2. Vi điều khiển S3C44B0X và kit phát triển
2.1. Vi điều khiển S3C44B0X
2.1.1. Các đặc điểm của vi điều S3C44B0X
2.1.2. Sơ đồ chân
2.1.3. Sơ đồ khối
2.1.4. Chức năng một số khối chính
2.2. Kit phát triển HT44B
Phần B: Thực nghiệm
Chương 3. Biên dịch mã nguồn uClinux và xây dựng ứng dụng
3.1. Biên dịch mã nguồn hệ điều hành uClinux
3.1.1. Môi trường và các công cụ cần để biên dịch
3.1.2. Lưu đồ quá trình biên dịch và các bước tiến hành
3.2. Nhúng hệ điều hành vào vi điều khiển
3.2.1. Thiết lập giao tiếp giữa kit và máy tính
3.2.1. Đưa file ảnh hệ điều hành vào vi điều khiển
3.3. Xây dựng ứng dụng
Kết luận
---------------------------------------------
Keyword: download,khoa luan tot nghiep,nghien cuu,ung dung,he dieu hanh,nhung uclinux,tren vi dieu khien,s3c44b0x
Nhận xét
Đăng nhận xét